煤矿安全监测监控技术

煤矿安全监测监控技术辽北技师学院徐景贤第一章绪论•第一节国内煤矿安全监测监控技术发展概况•随着现代新技术的发展和检测监控技术人员使用和维护水平的不断提高，在煤矿安全生产中发挥的作用越来越受到重视，世界各产煤国均致力于矿井安全监测系统的研制、生产和推广，从管理制度上进一步规范了矿井安全监控系统的应用增强了矿井的安全保障能力。第一节国内煤矿安全监测监控技术发展概况•十二字瓦斯治理方针：•先采后抽，监测监控，以风定产。•十六字瓦斯治理体系：•通风可靠，抽采达标，监控有效，管理到位第一节国内煤矿安全监测监控技术发展概况•我国矿井监测监控系统的发展大致经历了以下几个阶段：•（1）引进阶段（1983——1985年）法国的CTT63/40系统；波兰的CMC-1系统、CMM-20系统；德国的TF-200系统（频分制）；英国的MINOS系统；美国的DAN6400系统及Senturion-200系统•（2）消化、吸收阶段（1985——1995年）部分科研院所结合我国煤矿的实际情况，先后研发了、生产了KJ4KJ10KJ19KJ38KJ66KJ75KJ90KJ95等矿井安全监控系统，成为我国使用的主要装备。•（3）完善、升级阶段（1996——2000年）随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展，我国又相继开发了KJF2000、KJ2000和KJG2000等矿井安全系统，进一步完善了各项功能。•（4）竞争、淘汰阶段（2001——2005年）2002年，在全国瓦斯防治工作会议上确立了十二字方针，促进了各厂家不断提高产品质量和服务意识，同时也淘汰了部分功能欠缺的、稳定性差的矿井安全监控系统•（5）数字化、网络化、综合化发展阶段（2006年——现在）矿井安全监控系统作为打造：“数字化矿山”的重要标志性建设内容，MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统应运而生。第一节国内煤矿安全监测监控技术发展概况•与“煤矿安全监测监控”相关的法律法规•2001年版《煤矿安全规程》增加了“通风安全监控”一章(第3章)；•1999年3月颁布了中华人民共和国煤炭行业标准“MT／T772-1998煤矿监控系统主要性能指标测试方法”；•2001年5月颁布了中华人民共和国煤炭行业标准“MT／T899-2000煤矿用信息传输装置”，•2006年2月颁布了中华人民共和国安全生产行业标准《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ6201-2006）。第二节国外煤矿安全监测监控技术发展概况•一、光纤通信技术的应用：•是利用光纤高速数据通道将地面中心站与井下分站连接起来，提高信息传输速度，扩大系统容量。•二、光纤分布式测温技术的应用：•采用了光时域反射技术，日本称之为光纤测温雷达FTR。FTR能够连续测量沿整个敷设光纤区域的温度。该技术原理是脉冲光束注入光纤后，以200m/s的速度沿光纤传播，而其一部分散射光沿光纤返回注入端。散射光强度是光纤温度的函数，散射光起点位置则由在注入点检测到的返回时间来确定。FI'R基本上由作为敏感温度的光纤、主测量装置和处理显示温度分布情况的计算机系统组成。•三、光纤气体监测技术的发展•1995年美国矿业局开发了光纤环境监测报警系统(FOREWARNS)，对矿井中CO、S02、N02三种有毒气体进行监测。该系统由中心站通过一个大芯径光纤向三种传感器提供光源。中心站由显示单元、激光组件组成，通过分光器将光信号分布到每个敏感组件(RSU)上。RSU由各种传感器、光电转换器及遥测电子电路组成。•四、其他传感器新技术•1．电化学气体敏感技术•用控制电位电化学技术监测CO、S02、H2是比较成熟的技术•2．其他技术•为了解决传统的载体催化式甲烷传感器的稳定性和敏感元件的寿命问题，利用控制元件恒温的检测煤矿安全监测监控测电路，使元件灵敏度、响应时间及稳定性等得到改善。第三节我国矿井安全监测监控技术发展趋势•一、矿井安全监控系统•现有的矿井安全监控系统均是针对某一监控对象而开发的单一的环境安全、轨道运输、带式输送机运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、大型机电设备运行状态等专用监测监控系统•特点：硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享。•发展方向：矿井安全监测监控系统将综合组态软件、现场总线、可编程控制器、多媒体、计算机网络、GIS和智能传感器等技术，向着监测与监控并重、就地自动控制、地面远程控制、灾害预报、硬件通用、软件兼容、信息共享、多参数、多功能、多媒体全矿井综合监控的方向发展•二、全矿井综合监控系统•全矿井综合监控系统是矿井监控系统的发展方向。该系统由智能传感器、智能监控站和调度网络组成（图1-1），是一种既可用于环境安全、轨道运输、提升、运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、机电设备状况等全面综合监控，又可实现某些或某个方面监控的多参数、多功能监测与控制并重，以及就地自动控制与地面远程控制相结合的系统。•，第三节我国矿井安全监测监控技术发展趋势•全矿井综合监控系统的特点：•1．智能传感器•(1)电路通用。•(2)智能传感器采用数字信号传输与多路复用•(3)智能传感器可实现就地控制。•2．智能监控站•智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备，其功能类似于现有系统的分站，具有信号采集、控制、与主站（或上级智能控制站）双向数据传输等功能，•3．调度管理网络作业•一、填空•1、监测系统按工作侧重点分为（）系统、（）系统两大类。•2、（）是矿井监控系统的发展方向。•二、简答•1、国内煤矿安全监测监控技术现状及特点有哪些？第二章矿用传感器•传感器：是借助于检测元件接收物理量形式信息，并按一定规律将其转换成同种或其他物理量形式信息的仪器。•煤矿安全监测监控系统中的传感器：•1.环境参数监测的传感器•主要包括•气体（CH4、CO、02、C02等）浓度和风速、风压、温度、粉尘浓度等，•2.工况状态传感器：•位移、开关等生产设备运行状态监控的传感器。••煤矿井下传感器的分类：•1.按被测参数分类，有矿用温度、压力、速度、湿度等传感器，•2.按测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论进行分类，有电位器式、应变式矿压传感器、矿用电感式、差动变压器式、电涡流式风速传感器等；•3.根据半导体原理有半导体力敏、光敏、气敏传感器等。•4.根据传感器的应用类型分为矿用安全型和矿用生产类传感器两种。•传感器应符合标准要求。传感器的出厂检验应逐台进行，特别是稳定性试验应严格按国家标准进行。传感器及其关联设备均应经过国家授权的防爆检验机构联检。与传感器配套的关联设备应具有有效期内的矿用安全标志证书。安全监测监控系统应配置稳定性为15天以上的传感器等关联设备。严禁使用未经国家授权的检测检验机构联检的关联设备。第一节甲烷传感器•甲烷传感器用于检测矿井空气中甲烷气体的体积百分比浓度。目前煤矿使用的甲烷传感器主要有煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器、瓦斯抽放用热导式高浓度甲烷传感器和煤矿用高低浓度甲烷传感器三类。•一、煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器•低浓度载体催化式甲烷传感器是我国煤矿安全监测系统普遍采用的用于检测煤矿井下甲烷气体的仪器。载体催化元件是在铂丝上涂有载体并浸有催化剂，用来检测煤矿空气中甲烷浓度的敏感元件，由补偿元件（白元件）和检测元件（黑元件）组成。补偿元件与检测元件的结构尺寸完全相同。补偿元件表面没有催化剂，与检测元件配对使用，在不平衡电桥中对环境温度、湿度等起补偿作用。第一节甲烷传感器•1．瓦斯载体催化传感元件•瓦斯载体催化传感元件是由加热丝（铂丝线圈）、载体、催化剂三部分组成，结构如下图所示。第一节甲烷传感器•铂丝线圈：由纯度为99.999%,直径为0.02—0.08mm的铂金丝，绕成0.2—0.5mm直径的线圈，它的电阻值约为2～-5Ω。它的主要作用是加热源，提供瓦斯无焰燃烧条件，温度为300～400℃•载体：一般是由氧化铝、石英纤维、陶瓷等材料烧制而成。它包在铂丝线圈外边，是多孔实体。它的特点是，表面积大，耐热、防潮、防腐蚀、有一定机械强度。它的主要作用是提高传感元件的机械强度，防止铂丝升华，使催化剂分布表面。•催化剂：通常由金属钯担任，涂在载体表面。它的主要作用是增强瓦斯氧化反应速度，降低瓦斯无焰燃烧温度，防止铂丝升华，提高铂丝寿命。•加催化剂的反应元件为黒元件，它的作用是和瓦斯发生反应；不加催化剂的为白元件，它的作用是起补偿作用。•工作电流300—800mA为大元件；工作电流50—160mA为小元件。第一节甲烷传感器•黑白两元件电阻值相同，成对的装在经过灌封的粉末冶金气室中，如下图所示第一节甲烷传感器•它的检测原理是，当工作电流通过铂丝时，把其表面加热到一定温度，气流中无瓦斯时，电桥平衡，A、B两点电位差为零。当气流中有瓦斯含量时，瓦斯在黑元件表面发生无焰燃烧，使黑元件温度增加铂丝电阻增大，电桥失去平衡，使A、B两点电位差增大。在瓦斯浓度低于4.0﹪的情况下，电桥输出的电压基本上为线性关系。因此可根据电桥输出电压的大小来反映瓦斯浓度的大小低浓度瓦斯传感器的检测电路示意图所。第一节甲烷传感器•瓦斯浓度大于4.0﹪后，电桥输出电压与瓦斯浓度线性关系变差，所以，热催化式甲烷传感器的最大量程4.0﹪CH4。白元件主要起补偿作用，当环境温度变化时，黑白两元件电阻同时变化，使电桥保持平衡。•在0～10%浓度瓦斯短时间通过元件，元件能正常工作。长时间通过≥10%浓度瓦斯，元件表面温度可达1000℃以上，可使催化剂钯及铂丝挥发，载体烧结，表面积变小，元件从黒色变成褐色，灵敏度降低。·第一节甲烷传感器•元件在20～30%浓度瓦斯条件下，由于，瓦斯不能充分燃烧，碳粒沉积在载体和催化剂上，使元件短时间破裂。实验证明，30%浓度瓦斯气样，通过20min,元件就损坏;3%浓度瓦斯条件下，连续工作两个月，元件也损坏。•井下空气湿度过大、煤尘过多，易沉积在元件的粉未冶金外罩上，将罩孔堵死，进气量减少，影响测量精度。第一节甲烷传感器•2、高浓度瓦斯传感器•热催化原理传感器检测瓦斯浓度，在0～4%范围内是准确的，有很好线性，超过这个范围精度难以保证，因此高浓度瓦斯检测通常采用热导原理。煤矿检测高浓度瓦斯常用的元件是金属丝热电阻和半导体热敏电阻。最多的还是金属丝热电阻。•金属丝热电阻有两种结构形式。一种是用鉑、钨、铼钨合金做成直丝或螺旋丝，这些金属材料的化学稳定性好，不易氧化变性。第一节甲烷传感器•一种是用纯鉑丝绕成线圈在外面用AI2O3及其他玻璃材料包覆，形成珠状体。它的结构及安装如下图所示。图中：•1—玻璃封装材料；2—氧化铝；3—鉑丝第一节甲烷传感器•高浓甲烷传感器气室结构如下图所示•图中：1—气室外壳；2—元件连线；3—热导室；4—隔离室；5—粉末冶金罩；第一节甲烷传感器•热导式甲烷传感器检测电路，由测量元件r1，补偿元件r2等元件组成，测量元件与补偿元件结构、形状和电参数完全相同，但测量元件置于与被测气体连通的气室中，而补偿元件置于密封的气室中。R1与R2组成电桥的另一臂。在新鲜空气中，电桥处于平衡状态，输出电压为0。当气室中通入含有甲烷混合气体时，由于甲烷混合气体的热导率大于新鲜空气的热导率，r1传导出的热量大于r2传导出的热量，r1阻值变小，电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压。W2为调零电位器，W1为调灵敏度电位器。热导式甲烷传感器检测电路图第一节甲烷传感器•3、甲烷传感器的通用要求•1）。工作条件•温度：（0～40）℃；•相对湿度：≤98﹪；•大气压力：（80～116）KPa；•风速：≦8m／s。•2）输出信号制式•电流：DC(1～5)mA；•(4～20)mA。•频率：(5～15)HZ；•(200～1000)HZ；•脉冲宽度大于0.3ms；•数字编码：•300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps；电平不小于3V。•3）测量误差应符合下表的规定测量范围基本误差0.00～1.00±0.101.00～3.00真值的±10%3.00～4.00±0.30•热导元件检测时的测量误差应